水溶性造孔劑在超薄樹(shù)脂切割砂輪中的應(yīng)用

李大水，杜曉旭，曹劍鋒，陳懷亮，王思亮，吳磊濤，羊松燦，郝素葉，楊劍鋒

（1.鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司, 鄭州 450001）

（2.國(guó)機(jī)精工股份有限公司，鄭州 450100）

（3.鄭州大學(xué) 商學(xué)院，鄭州 450001）

光學(xué)玻璃、陶瓷及半導(dǎo)體封裝等材料的精密切割需要超薄切割工具，其切割時(shí)具備以下特點(diǎn)[1]：（1）砂輪厚度薄，通常為0.1～0.5 mm；（2）切割時(shí)砂輪線速度較高，通常為80～150 m/min；（3）進(jìn)給速度較大，為10～100 mm/s；（4）單次切深較大，為0.5～2.0 mm。同時(shí)，需切割的工件通常使用UV膜粘貼并吸附在真空吸盤(pán)上[2]，為了徹底切斷工件，砂輪需切入U(xiǎn)V膜0.04 mm左右。然而，當(dāng)砂輪既切割工件又切割UV膜時(shí)，產(chǎn)生的切屑和UV膠極易嵌入砂輪刃口或熔結(jié)在砂輪刃口表面造成刃口堵塞，導(dǎo)致刃口燒傷或刃口斷裂情況出現(xiàn)[3]。因此，切割砂輪必須具備極好的自銳性和排屑容屑能力。

樹(shù)脂結(jié)合劑在樹(shù)脂、陶瓷、金屬、電鍍4大結(jié)合劑中具備最好的自銳性能，但樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪組織較致密、氣孔率較低。圖1為自制的超薄樹(shù)脂切割砂輪結(jié)塊掃描電鏡形貌，在圖1中未發(fā)現(xiàn)砂輪有明顯的氣孔和容屑空間。一般樹(shù)脂砂輪是利用模壓法將混合粉末壓制成形的，各粉末之間不可避免地會(huì)出現(xiàn)一定縫隙，這種縫隙稱為“間隙孔”。但超薄樹(shù)脂切割砂輪成形過(guò)程中的樹(shù)脂粉會(huì)在其軟化點(diǎn)軟化，并在較高的壓力下成形，這樣會(huì)填充部分間隙孔，造成超薄樹(shù)脂切割砂輪中的間隙孔較少[4]。用其切割韌性較好的材質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生的切屑易造成砂輪堵塞，需采取在線清洗等方法清除。因此，在面對(duì)越來(lái)越高的進(jìn)給速度和越來(lái)越嚴(yán)苛的切割條件時(shí)，超薄樹(shù)脂切割砂輪的排屑容屑能力需進(jìn)一步提升。

圖1 超薄樹(shù)脂切割砂輪結(jié)塊SEM形貌Fig.1 SEM morphology of agglomeration of ultra-thin resin cutting grinding wheel

樹(shù)脂砂輪中除了“間隙孔”外，還有一種是通過(guò)添加造孔劑而形成的“生成孔”?！吧煽住笔窃炜讋┰谀ハ髦姓舭l(fā)、分解或溶解后產(chǎn)生的，因此其性能主要與造孔劑的類型、顆粒大小、形狀以及加入量等相關(guān)[5-7]。故造孔劑可增加砂輪的容屑空間，提升砂輪的鋒利度等[8-9]。造孔劑在大氣孔結(jié)合劑砂輪中及砂輪厚度較大的場(chǎng)合中應(yīng)用較多，對(duì)厚度薄尤其是在厚度小于0.5 mm的超薄樹(shù)脂切割砂輪上應(yīng)用較少。

典型的造孔劑可分為3大類[10]：一是帶有空心結(jié)構(gòu)的微球填料。將空心微球加入砂輪中，由于微球球壁較薄，在磨削過(guò)程中球壁易破碎，從而形成氣孔。陳衛(wèi)東等[11]對(duì)比了4種造孔劑對(duì)陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪性能的影響，結(jié)果表明：在陶瓷結(jié)合劑砂輪中添加氧化鋁空心微球和玻璃空心微球，砂輪具有較均勻的氣孔結(jié)構(gòu)，且可兼顧砂輪的強(qiáng)度和鋒利性。但氧化鋁和玻璃空心微球直徑較大，一般在2.0～5.0 mm，對(duì)厚度僅為0.1～0.5 mm的超薄樹(shù)脂切割砂輪不適用；二是高溫分解類造孔劑。首先將該類造孔劑添加進(jìn)砂輪配料中，均勻分散后利用砂輪制備過(guò)程中需要高溫?zé)Y(jié)的工藝特點(diǎn)，使該類造孔劑分解氣化，形成氣孔通道，達(dá)到造孔的目的。張?jiān)傻萚12]在金屬結(jié)合劑砂輪中添加酚醛樹(shù)脂，利用酚醛樹(shù)脂在高溫?zé)Y(jié)時(shí)分解氣化的特性，在金屬結(jié)合劑砂輪中形成氣孔，結(jié)果表明加入酚醛樹(shù)脂后有效形成的通孔結(jié)構(gòu)有利于砂輪的出刃和排屑。但此方法同樣不適用于超薄樹(shù)脂切割砂輪，因?yàn)槌∩拜喌臉?shù)脂結(jié)合劑固化溫度較低，通常在200 ℃左右，并不能使酚醛樹(shù)脂氣化，因而也無(wú)法形成氣孔；三是水溶性造孔劑。將水溶性造孔劑均勻分散到砂輪胎體中，由于砂輪切削過(guò)程中需要循環(huán)使用冷卻液或冷卻水，利用其易溶解于水的特性，在砂輪刀刃部位形成氣孔[10]。

因此，根據(jù)超薄樹(shù)脂切割砂輪厚度薄(0.1～0.5 mm)和成形溫度低（200 ℃左右）的特點(diǎn)，在其中加入水溶性造孔劑是最優(yōu)選擇。常見(jiàn)的水溶性造孔劑有NaCl、KCl等，在此選擇NaCl為造孔劑，研究NaCl加入量對(duì)超薄樹(shù)脂切割砂輪機(jī)械性能及切割性能等的影響。

1 試驗(yàn)條件與過(guò)程

1.1 樣品試制

超薄樹(shù)脂切割砂輪以酚醛樹(shù)脂為結(jié)合劑，白剛玉、石墨粉等為填料，金剛石為磨料，NaCl顆粒為造孔劑，在200 ℃下壓力為8 MPa時(shí)，熱壓10 min成形。其中：金剛石類型為SD，其粒度代號(hào)為M30/38，磨粒粒徑范圍為30～38 μm；NaCl為分析純顆粒，使用前先用篩網(wǎng)過(guò)篩，宜選擇顆粒代號(hào)為400/500的部分使用，其顆粒尺寸范圍為28～38 μm；白剛玉粒度代號(hào)為F500，中值粒徑為12.8 μm；石墨粉基本顆粒尺寸為10～15 μm。用于抗折強(qiáng)度和SEM測(cè)試的試驗(yàn)樣條長(zhǎng)×寬×高為41.0 mm×6.0 mm×4.4 mm，其配方如表1所示，試驗(yàn)樣條成品如圖2所示。

表1 試驗(yàn)樣條配方Tab.1 Test spline formula

圖2 試驗(yàn)樣條成品Fig.2 Test spline

1.2 樣條性能測(cè)試方法

將樣條折斷，用水浸泡10 min，晾干，得到多孔超薄樹(shù)脂切割砂輪樣條，其造孔原理如圖3所示。

圖3 造孔劑造孔原理圖Fig.3 Schematic diagram of pore preparation of pore-forming agent

利用型號(hào)為INSPECT S50的掃描電鏡觀察樣條斷口處的形貌，觀察斷口處氣孔大小及氣孔分布情況。在型號(hào)為KIJ5000的單杠桿（三點(diǎn)抗折）抗折強(qiáng)度機(jī)上測(cè)量制備的樣條的抗折強(qiáng)度，測(cè)量時(shí)的載荷加載速度為（10±1）N/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)樣條性能的影響

2.1.1 對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響

根據(jù)表1中的具體試驗(yàn)配方制備樣條，對(duì)NaCl造孔劑及表1中的5個(gè)樣條進(jìn)行微觀形貌觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出：NaCl造孔劑形貌為不規(guī)則塊狀或球狀，經(jīng)過(guò)篩網(wǎng)篩分后其顆粒大小均勻，利于造孔；當(dāng)樣品未添加造孔劑時(shí)，樣條內(nèi)部未出現(xiàn)明顯氣孔；隨著樣品中造孔劑的加入及加入量逐漸增加，樣條內(nèi)部的氣孔數(shù)逐漸增多，且樣品中的孔隙大小和分布均勻，孔壁之間聯(lián)結(jié)緊密，每個(gè)孔洞完美地復(fù)制了NaCl造孔劑的原有形貌，未發(fā)生坍塌變形，造孔效果理想。這主要是由于造孔劑的造孔方式為占位式造孔，當(dāng)NaCl造孔劑溶解于水后，樣條內(nèi)部形成的氣孔形貌與NaCl造孔劑形狀一致。

圖4 不同樣條及NaCl造孔劑的SEM形貌Fig.4 SEM morphologies of different strips and NaCl pore-forming agent

但圖4c中造孔劑加入量偏少，造出的氣孔數(shù)較少；圖4d中造孔劑加入的體積分?jǐn)?shù)為10%，造出的氣孔數(shù)均勻適中；圖4e中造孔劑加入量進(jìn)一步增加，樣條出現(xiàn)較大氣孔，這主要是由于造孔劑含量較多，相互聚集在一起，溶于水后形成了較大的連通性氣孔；圖4f中造孔劑加入的體積分?jǐn)?shù)為20%，造孔劑相互聚集的情況更加嚴(yán)重，造出的氣孔尺寸也非常大。

2.1.2 對(duì)氣孔率的影響

利用破碎浸出法測(cè)量樣條的氣孔率。測(cè)量方法如下：首先根據(jù)樣條的尺寸，計(jì)算其體積V0，然后測(cè)量樣條質(zhì)量m1。再將樣條充分搗碎，將搗碎的碎塊浸泡在裝有蒸餾水的真空容器中，抽真空后靜置10 min，使碎塊內(nèi)部的造孔劑充分溶解，過(guò)濾后烘干，稱重得到樣條殘余質(zhì)量m2，通過(guò)NaCl的密度ρNaCl=2.165 g/cm3換算，得到樣條的氣孔率P：

經(jīng)過(guò)測(cè)量，1#～5#樣條的氣孔率分別為0.3%，5.2%，10.3%，15.3%和20.4%。1#樣條的氣孔率為0.3%，是因?yàn)闃訔l制作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的“間隙孔”，2#～5#樣條的氣孔率基本上等于造孔劑添加的體積分?jǐn)?shù)和1#樣條的“間隙孔”之和。

2.1.3 對(duì)力學(xué)性能的影響

5種不同造孔劑含量的樣條抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出：隨造孔劑含量增加，樣條的抗折強(qiáng)度直線下降。1#樣條未添加造孔劑，其抗折強(qiáng)度為3.235 MPa；2#，3#，4#樣條隨造孔劑含量增加，其抗折強(qiáng)度明顯降低，分別為2.833，2.508和2.295 MPa；當(dāng)5#樣條的造孔劑加入體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，其抗折強(qiáng)度最低，為2.038 MPa，與未加造孔劑的1#樣條的比降低了37%。主要原因是隨著造孔劑加入量增多，樣條中的氣孔數(shù)量也隨之增多，孔與孔之間逐漸相互貫通，孔隙越來(lái)越大，導(dǎo)致樣條的抗折強(qiáng)度隨著造孔劑加入量的增多而急劇下降。

圖5 不同樣條的抗折強(qiáng)度Fig.5 Flexural strengths of different strips

2.2 對(duì)砂輪切割性能的影響

在切割行業(yè)中，在滿足工件切割品質(zhì)的前提下，用戶更注重切割砂輪的切割壽命和切割效率，以進(jìn)一步降低使用成本，從而獲得更大的利潤(rùn)。切割砂輪的切割性能主要包括其切割壽命和切割效率。

2.2.1 對(duì)切割壽命的影響

按表1中的1#～5#配方制備相應(yīng)的6#～10#砂輪，砂輪的規(guī)格型號(hào)為1A8 56×0.15×40，其中的8#砂輪成品如圖6所示。

圖6 8#切割砂輪成品Fig.6 8# finished cutting wheel

分別對(duì)6#～10#切割砂輪進(jìn)行切割壽命測(cè)試。采用型號(hào)為DAD 3350的DISCO劃片機(jī)，在轉(zhuǎn)速為30 000 r/min，進(jìn)給速度為10 mm/s條件下，切割尺寸為75.0 mm×75.0 mm×0.5 mm的Al2O3陶瓷板，陶瓷板中的Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96%，其莫氏硬度為9（10級(jí)制）。陶瓷板的切割效果如圖7所示，要求其崩邊尺寸≤10 μm或在40倍顯微鏡下觀察其無(wú)明顯崩邊。圖7中的陶瓷板已切割完成，底部使用UV膜粘接。

圖7 陶瓷板的切割Fig.7 Cutting of ceramic plate

每切割圖7中的10條陶瓷板槽算1次，共切割陶瓷板6次，測(cè)量6次砂輪切割起止時(shí)的切削齒高度差Δhi（i=1, 2, ···, 6），并計(jì)算每種切割砂輪高度差的平均值Δh，以此表示該砂輪的切割壽命，其平均值越小表明該砂輪切割壽命越長(zhǎng)。表2為6種切割砂輪切削齒高度差的實(shí)測(cè)結(jié)果。

表2 切割砂輪切削齒的高度差Tab.2 Height differences of cutting teeth of cutting wheels

由表2可以看出：隨著造孔劑添加量增加，切割砂輪切削齒的高度差平均值變大，砂輪的磨損逐漸加快，其壽命縮短。與不添加造孔劑的6#砂輪相比，造孔劑添加體積分?jǐn)?shù)為5%，10%，15%和20%的7#～10#砂輪的切割壽命分別降低了4.5%，18.2%，36.4%和54.5%。綜上可知，添加不同含量造孔劑均對(duì)砂輪的切割壽命產(chǎn)生影響，且造孔劑含量越高，砂輪的磨損越快，切割壽命越短。其主要原因是隨著造孔劑含量增加，砂輪中氣孔數(shù)量隨之增多，位于磨粒之間或磨粒與結(jié)合劑之間的氣孔數(shù)量也隨之增加，使包裹在金剛石磨粒周?chē)慕Y(jié)合劑減少，金剛石磨粒更易脫落，因此砂輪的磨損越快，切割壽命越短。

2.2.2 對(duì)切割效率的影響

按照2.2.1中同樣的測(cè)試方法，對(duì)6#～10#砂輪進(jìn)行切割效率測(cè)試，其中砂輪的轉(zhuǎn)速不變，進(jìn)給速度為10～20 mm/s，分別記錄不同進(jìn)給速度下劃片機(jī)的主軸電流變化。

不同進(jìn)給速度下6#～10#砂輪樣品的主軸電流變化如圖8所示。從圖8可以看出：未添加造孔劑的6#砂輪（造孔劑體積分?jǐn)?shù)為0），當(dāng)進(jìn)給速度為10 mm/s時(shí)，主軸電流呈現(xiàn)先緩慢增加后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，說(shuō)明此時(shí)砂輪的磨損和砂輪的自銳性能基本達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡；當(dāng)進(jìn)給速度提升至12～16 mm/s時(shí)，主軸電流呈現(xiàn)不斷遞增的趨勢(shì)，說(shuō)明此時(shí)砂輪的鋒利性不足；當(dāng)進(jìn)給速度進(jìn)一步提升至18～20 mm/s時(shí)，砂輪出現(xiàn)斷刀情況，此時(shí)主軸電流較高，高達(dá)2.34 A，說(shuō)明砂輪受到的磨削阻力過(guò)大導(dǎo)致斷刀。

添加體積分?jǐn)?shù)為5%造孔劑的7#砂輪，當(dāng)進(jìn)給速度為10和12 mm/s時(shí)，主軸電流基本保持穩(wěn)定；當(dāng)進(jìn)給速度提升至14和16 mm/s時(shí)，主軸電流呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)；當(dāng)進(jìn)給速度提升至18 mm/s時(shí)，電流反復(fù)出現(xiàn)先提升再下降的現(xiàn)象，切割時(shí)伴隨微打火現(xiàn)象。這是因?yàn)榇藭r(shí)砂輪的磨削熱過(guò)高出現(xiàn)微打火，導(dǎo)致樹(shù)脂結(jié)合劑燒傷碳化，碳化后的結(jié)合劑脫落，從而形成新的切削刃，因此出現(xiàn)電流反復(fù)提升再下降的現(xiàn)象；當(dāng)速度達(dá)到20 mm/s時(shí)，切割3條后砂輪破碎斷刀，此時(shí)主軸電流較高為2.25 A，同樣為磨削阻力過(guò)大造成斷刀。

添加體積分?jǐn)?shù)為10%造孔劑的8#砂輪，隨著進(jìn)給速度由10 mm/s提升至20 mm/s，主軸電流基本穩(wěn)定，最高為2.16 A。說(shuō)明此時(shí)砂輪的磨損和對(duì)材料的去除基本達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，其鋒利度較好，受到的磨削阻力較小，砂輪抗折強(qiáng)度滿足其切削要求。

添加體積分?jǐn)?shù)為15%造孔劑的9#砂輪，隨著進(jìn)給速度由10 mm/s 提升至18 mm/s，主軸電流基本穩(wěn)定；當(dāng)進(jìn)給速度繼續(xù)提升至20 mm/s時(shí)，砂輪在切割7條后斷裂，此時(shí)主軸電流僅為2.10 A，磨削阻力很小，說(shuō)明斷刀主要是由于砂輪強(qiáng)度不足造成的。

添加體積分?jǐn)?shù)為20%造孔劑的10#砂輪，進(jìn)給速度為10～16 mm/s時(shí)，主軸電流保持穩(wěn)定；當(dāng)進(jìn)給速度為18 mm/s時(shí)，切割至第5條時(shí)，電流突然變大，切割至第6條時(shí)，電流又恢復(fù)正常，期間切割通道出現(xiàn)讓刀現(xiàn)象，但未出現(xiàn)微打火現(xiàn)象。說(shuō)明砂輪此時(shí)因強(qiáng)度不足出現(xiàn)偏擺現(xiàn)象，引起了電流的異常變化。繼續(xù)切割至第8條時(shí)，砂輪破碎斷刀。此時(shí)主軸電流僅為1.96 A，磨削阻力很小，說(shuō)明斷刀主要是由于砂輪強(qiáng)度不足造成的。

綜合圖8可知：權(quán)衡砂輪的強(qiáng)度和鋒利性，造孔劑的添加量以10%為宜。此時(shí)砂輪的磨削阻力小，抗折強(qiáng)度適中，最高進(jìn)給速度可達(dá)20 mm/s。

圖8 不同進(jìn)給速度下5種砂輪樣品的主軸電流Fig.8 Spindle currents of five kinds of grinding wheel samples at different feed speeds

3 結(jié)論

（1）水溶性造孔劑NaCl在超薄樹(shù)脂切割砂輪領(lǐng)域可實(shí)現(xiàn)造孔需求，砂輪的氣孔率等于造孔劑添加體積分?jǐn)?shù)和“間隙孔”之和。當(dāng)造孔劑添加的體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，砂輪的氣孔分布均勻適中。

（2）隨著造孔劑加入量逐漸增加，砂輪的抗折強(qiáng)度逐漸降低。

（3）添加的NaCl造孔劑體積分?jǐn)?shù)以10%為宜，此時(shí)砂輪的切割效率最高，進(jìn)給速度可達(dá)20 mm/s。但造孔劑的加入會(huì)對(duì)砂輪的切割壽命有一定影響，造孔劑的含量越高，砂輪的磨損越快，切割壽命越短。